数学之美:茹茹心形线的参数方程

news/2024/11/23 3:46:55/

先介绍一下茹茹心形线:
x 2 + y 2 − ∣ x ∣ y = 1 x^2+y^2-|x|y=1 x2+y2xy=1

化为参数方程:
第一步,化为极坐标方程:
r 2 − ∣ r cos ⁡ θ ∣ r sin ⁡ θ = 1 r 2 ( 1 − ∣ cos ⁡ θ ∣ sin ⁡ θ ) = 1 r = ρ ( θ ) = 1 1 − ∣ cos ⁡ θ ∣ sin ⁡ θ r^2-|r\cos\theta|r\sin\theta=1\\ r^2(1-|\cos\theta|\sin\theta)=1\\ r=\rho(\theta)=\frac{1}{\sqrt{1-|\cos\theta|\sin\theta}} r2rcosθrsinθ=1r2(1cosθsinθ)=1r=ρ(θ)=1cosθsinθ 1

第二步化为参数方程:
{ x = r cos ⁡ θ = cos ⁡ θ 1 − ∣ cos ⁡ θ ∣ sin ⁡ θ y = r sin ⁡ θ = sin ⁡ θ 1 − ∣ cos ⁡ θ ∣ sin ⁡ θ \begin{cases} x=r\cos\theta=\frac{\cos\theta}{\sqrt{1-|\cos\theta|\sin\theta}}\\ y=r\sin\theta=\frac{\sin\theta}{\sqrt{1-|\cos\theta|\sin\theta}}\\ \end{cases} x=rcosθ=1cosθsinθ cosθy=rsinθ=1cosθsinθ sinθ

这种方程写出来有一种凑参数方程的感觉,不如用万能公式把三角函数去掉。
先科普一波万能公式:
sin ⁡ α = 2 tan ⁡ α 2 1 + tan ⁡ 2 α 2 cos ⁡ α = 1 − tan ⁡ 2 α 2 1 + tan ⁡ 2 α 2 tan ⁡ α = 2 tan ⁡ α 2 1 − tan ⁡ 2 α 2 \sin \alpha=\frac{2\tan\frac{\alpha}{2}}{1+\tan^2\frac{\alpha}{2}}\\ \cos \alpha=\frac{1-\tan^2\frac{\alpha}{2}}{1+\tan^2\frac{\alpha}{2}}\\ \tan \alpha=\frac{2\tan\frac{\alpha}{2}}{1-\tan^2\frac{\alpha}{2}} sinα=1+tan22α2tan2αcosα=1+tan22α1tan22αtanα=1tan22α2tan2α

所以有
x = cos ⁡ θ 1 − ∣ cos ⁡ θ ∣ sin ⁡ θ = 1 − tan ⁡ 2 θ 2 1 + tan ⁡ 2 θ 2 1 − ∣ 1 − tan ⁡ 2 θ 2 1 + tan ⁡ 2 θ 2 ∣ 2 tan ⁡ θ 2 1 + tan ⁡ 2 θ 2 = 1 − tan ⁡ 2 θ 2 ( 1 + tan ⁡ 2 θ 2 ) 2 − 2 ∣ 1 − tan ⁡ 2 θ 2 ∣ tan ⁡ θ 2 y = sin ⁡ θ 1 − ∣ cos ⁡ θ ∣ sin ⁡ θ = 2 tan ⁡ θ 2 ( 1 + tan ⁡ 2 θ 2 ) 2 − 2 ∣ 1 − tan ⁡ 2 θ 2 ∣ tan ⁡ θ 2 \begin{aligned} x&=\frac{\cos\theta}{\sqrt{1-|\cos\theta|\sin\theta}}\\ &=\frac{\frac{1-\tan^2\frac{\theta}{2}}{1+\tan^2\frac{\theta}{2}}}{\sqrt{1-\left|\frac{1-\tan^2\frac{\theta}{2}}{1+\tan^2\frac{\theta}{2}}\right|\frac{2\tan\frac{\theta}{2}}{1+\tan^2\frac{\theta}{2}}}}\\ &=\frac{1-\tan^2\frac{\theta}{2}}{\sqrt{\left(1+\tan^2\frac{\theta}{2}\right)^2-2\left|1-\tan^2\frac{\theta}{2}\right|\tan\frac{\theta}{2}}}\\\\\ y&=\frac{\sin\theta}{\sqrt{1-|\cos\theta|\sin\theta}}\\ &=\frac{2\tan\frac{\theta}{2}}{\sqrt{\left(1+\tan^2\frac{\theta}{2}\right)^2-2\left|1-\tan^2\frac{\theta}{2}\right|\tan\frac{\theta}{2}}} \end{aligned} x y=1cosθsinθ cosθ=1 1+tan22θ1tan22θ 1+tan22θ2tan2θ 1+tan22θ1tan22θ=(1+tan22θ)22 1tan22θ tan2θ 1tan22θ=1cosθsinθ sinθ=(1+tan22θ)22 1tan22θ tan2θ 2tan2θ
t = tan ⁡ θ 2 t=\tan\frac{\theta}{2} t=tan2θ,则有
{ x = 1 − t 2 ( 1 + t 2 ) 2 − 2 t ∣ 1 − t 2 ∣ y = 2 t ( 1 + t 2 ) 2 − 2 t ∣ 1 − t 2 ∣ \begin{cases} x=\frac{1-t^2}{\sqrt{\left(1+t^2\right)^2-2t\left|1-t^2\right|}}\\ y=\frac{2t}{\sqrt{\left(1+t^2\right)^2-2t\left|1-t^2\right|}}\\ \end{cases} x=(1+t2)22t1t2 1t2y=(1+t2)22t1t2 2t

所以…
强调一下,这个参数方程和之前的那些都不等价。我要说的是,这个“心形线”不是心形线,它不经过(-1,0)这个点,当你把t的取值范围设置得特别特别大以至于趋近于无穷的时候(如上图),图像会缓缓地、越来越缓慢地靠近(-1,0),但永远无法达到,因为:
lim ⁡ t → ± ∞ x ( t ) = − 1 lim ⁡ t → ± ∞ y ( t ) = 0 \lim_{t\to\pm\infty}x(t)=-1\\ \lim_{t\to\pm\infty}y(t)=0 t±limx(t)=1t±limy(t)=0
即:该图像不封闭。任意t的取值范围,有(-1,0)缺口。
好不容易把三角函数拿掉了,拿到了一个与原来的心形线的意思相反的曲线…

就是说,数学能把爱心剪去一个缺口。当你觉得你的爱心没啥问题的时候,其实它早已破碎。


http://www.ppmy.cn/news/684360.html

相关文章

用 MatLab 绘制立体心形

用 MatLab 绘制立体心形 MatLab 代码如下 n200; xlinspace(-3,3,n); ylinspace(-3,3,n); zlinspace(-3,3,n); [X,Y,Z]ndgrid(x,y,z); F((-(X.^2).*(Z.^3) - (9/80).*(Y.^2).*(Z.^3)) ((X.^2) (9/4).*(Y.^2) (Z.^2)-1).^3); isosurface(F,0) lighting phong caxis axis …

matlab 心形曲线

(1)有网格线 clear x-2:0.01:2; ysqrt(2*sqrt(x.^2)-x.^2); zasin(abs(x)-1)-pi./2;plot(x,y); grid on; hold on; plot(x,z); axis equal;效果图 (2)无网格线 t0:0.1:2*pi; x16*sin(t).^3; y13*cos(t)-5*cos(2*t)-2*cos(3*t)-…

一个浪漫又悲情的爱情故事——笛卡尔心形线

说明 写这篇文章是因为某天看到这样一个公式 ra(1-cosθ) ,我上网搜了下,原来是笛卡尔心形线的极坐标方程,这个方程里面的确有一个浪漫又悲情的爱情故事,感兴趣的朋友可以点这里看看,而至于这个故事是真是假&#xff…

爱心的数学函数方程_笛卡尔心形线公式表白是什么?公式内容整理

学而思1对1 帮助孩子解决知识难点 报名课程 专属福利随意领 *2470人已预约,首课体验不满意,可全额退费。 — — 报名课程可获得 — — 海量资料包 干货公开课 标准化考点串讲 综合能力训练 相信大家都知道非常著名数学家,他的很多的数学方面的…

心形线玫瑰线

心形线 ra(1-cosθ) 面积 周长 三叶玫瑰线 rasin3θ

漂亮心形线

sym t; x16*(sin(t))^3; y13*cos(t)-5*cos(2*t)-2*cos(3*t)-cos(4*t) ezplot(x,y)

用scratch编程画心形线

在编程之前,我们先来看一个小故事: 1649年,斯德哥尔摩的街头,52岁的笛卡尔邂逅了18岁的瑞典公主克里斯汀。几天后,他意外的接到通知,国王聘请他做小公主的数学老师。跟随前来通知的侍卫一起来到皇宫&#…

Flash与数学:心形线

当初看到这些线的时候 是在一个数学的网上,今天也动手弄了一个心形线。内容其实很简单,没有什么花俏的东西,但是利用极坐标方程可以结合flash 当中,同样也会使用极坐标的方程绘制玫瑰线。由于能力有限,还是一步步来吧。…